CN1276850A - 调节内燃机排气系统内NOx存储器温度范围的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及为净化内燃机(1)排气流调节NOx存储器(7)温度的方法和装置,它们尤其可用于柴油机或稀混合气发动机,其中根据内燃机(1)的工作状态在设置在排气管(5)中的NOx存储器(7)前面的排气流内引出这样一股热流(W1、W2),即,使NOx存储器不超过最高温度和尤其保持为可预定的温度范围。为了达到NOx存储器的最低工作温度,内燃机(1)在空气燃油比λ≤1的情况下至少工作这么长的时间,即,直至达到此最低工作温度。

Description

调节内燃机排气系统内NOx 存储器温度范围的方法和装置
本发明涉及为净化内燃机排气流调节排气系统内NOx存储器温度范围的方法和装置。本发明尤其可用于净化柴油机或稀混合气发动机的排气流，以清除废气中存在的物质如不燃烧的碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物。
日益提高的环境保护意识以及反映此环境保护意识的越来越严格的排气法规，要求更大量地减少那些包含在内燃机排气内被归入有害类的排气成分。在当代的汽车中通常采用三通催化转换器，借助于它将一氧化碳(CO)、不燃烧的碳氢化合物(HC)及氮氧化物(NOx)转化为无害的成分。
在EP 0298240B1中阐述了在已知的排气催化转换系统中，通过确定在催化转换器中的温度剖面和通过确定在催化反应时释放的热量，借助于氧探头确定排气中的剩余含氧量，可以推断内燃机的排气状况。
在内燃机工作时，尤其在冷起动阶段，同时产生有害物质。因此需要在内燃机的排气管内设催化转换器。例如由EP 0628134 B1已知催化转换器。此外由EP0485179已知，采用储存冷起动期间产生的不燃烧碳氢化合物的吸附器，当下游的催化转换器准备好投入运行时再将它们重新放出。
对于固定式内燃机在德国适用TA空气。在固定式设备中，内燃机排气中排放的氮氧化物的净化往往借助于尿素实现。
在汽车用的内燃机中不可能这样做，这主要是由于要随车带着为此所需的贮罐和由于贮罐的重量。尤其在载重汽车中已知采用排气循环冷却实施排气再循环。还已知通过喷水减少NOx排放。除此之外还已知，为了减少NOx排放量，将它们首先在NOx存储器内作中间存放，再从那里使之与不燃的碳氢化合物通过有目的地反应还原为氮，也就是说借此从NOx成分中提取氮。
这种NOx存储器能可靠工作的正常工作温度范围目前约为150℃至500℃，力图采用新型涂层将温度上限提高到约700℃。目前超过最高温度800℃将损坏NOx存储器，所以无论如何必须避免这种温度。这类NOx存储器通常在排气系统中设在第一催化转换器下游。在第一催化转换器内进行的反应，尤其是碳氢化合物与氧的反应是放热的，所以排气在催化转换器内进行的净化过程中向排气输入热流。因为NOx存储器只有在温度约150℃时才达到其最低工作温度，所以，尤其考虑到这种排气净化装置的冷起动特性，值得追求的是将NOx存储器布置在尽可能靠近第一催化转换器的下游。在内燃机全负荷工作时，在第一催化转换器内进行的放热反应可能使催化转换器后的排气温度达到或超过1000℃。因此，在这种全负荷条件下希望将NOx存储器布置在离第一催化转换器尽可能远的下游，以便保证，即使处于这种全负荷条件，NOx存储器的温度也不超过约800℃。这两种要求是互相矛盾的。
因此本发明的目的是创造一种方法和装置，它们尽可能基本上除去在内燃机所有负荷条件下尤其在柴油机和稀混合气发动机排气中存在的物质如不燃烧的碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物、避免高温引起破坏设在排气系统中的NOx存储器、以及保证冷起动后迅速作好工作准备。
此目的通过具有按权利要求1和11所述特征的方法以及通过具有按权利要求14所述特征的排气催化转换系统达到。在相关的从属权利要求中说明了合乎目的的发展。
按本发明的方法用于净化内燃机的排气流。按本发明的方法，在NOx存储器(也称NOx吸附器)前的排气流中根据内燃机的工作状态借助于传热器引出热流。传热器在冷起动阶段不工作，以支持NOx存储器迅速达到至少约150℃的工作温度。在内燃机负荷增大时设在排气管内的第一催化转换器的放热反应越强烈，则在NOx存储器前面为排出热流所需的传热器的冷却功率应越大，以便在内燃机的全部工作期间可靠地保证NOx存储器的温度不超过800℃和/或处于一个可预定的温度范围内。因此，按本发明用于净化内燃机排气流的方法保证NOx存储器的工作安全性或延长其使用寿命。由此实现在内燃机的全部负荷范围可靠净化排气流。总的来说，传热器可设计为使之仅基于其结构方式在低温时引出较少的热量，而在高温时引出较多的热量(例如基本上以热辐射为基础的热量导出)。但也可以作为替换方式或附加地，采取附加的措施控制或调节此热量导出。
按照本发明优选的实施例，在第一催化转换器前或后从排气流引出至少一部分排气流内所含的热能作为热流。在NOx存储器前作为热流引出的这部分能量取决于NOx存储器传统的工作温度极限为约150℃至500℃，或取决于其最高温度为800℃。
按照另一种优选的例子，排气流分两个阶段排出。在这种情况下，热流的两个阶段引出可通过两个在NOx存储器前连续布置的传热器或通过在第一催化转换器前及第一催化转换器与NOx存储器之间的各一个传热器实现。尤其当直接在内燃机后引出热流时，可尤其在内燃机高负荷时还可以有控制地降低设在NOx存储器前的第一催化转换器后的排气出口温度。
按本发明另一种实施例，在NOx存储器内既吸附NOx也实施催化氧化。然而也可以在NOx存储器内起先只吸附NOx，以及例如为NOx存储器再生所需要的有时附加地加入排气管内的不燃烧碳氢化合物在外部在此NOx存储器下游的第二催化转换器内氧化。
通过传热器引出的热流优选地在5kW至50kW的范围内。
在带废气涡轮增压器的内燃机中，通常反正有多余的空气从涡轮增压器吹出。因此，这些空气可特别有利地用来强制冷却排气管。
按照另一种实施例，热流根据内燃机负荷有控制地引出。在这种情况下NOx存储器的温度范围作为调节参数，在这一温度范围NOx存储器不仅可靠地吸附NOx，而且无害地工作，也就是说不产生过大的热负荷。在这里，按NOx存储器从约150℃至约500℃的工作温度范围调节要引出的热量，可按已知的方式借助于适当的热电偶通过确定当时的工作温度进行控制，以此为基础例如控制冷却介质的量，借助此冷却介质引出热流，无论如何应通过增加热量导出来避免超过800℃。
按本发明另一个方面，这一方面还可与以后工作时进行的NOx存储器温度调节无关地实施，令内燃机在冷起动时在空气燃油比λ≤1的情况下工作到NOx存储器达到其最低工作温度约150℃时为止。也就是说，由于内燃机在富油的但至少在理想配比的工作范围内工作，所以在排气中存在足够的不燃烧碳氢化合物，它们用于迅速提高设在NOx存储器上游的第一催化转换器的工作温度。由于第一催化转换器的工作温度迅速提升，又使NOx存储器较快地达到至少约150℃的工作温度。优选地，NOx存储器储存NOx和氧化不燃烧的碳氢化合物。
按照本发明第二个方面，实施此方法的尤其使用于柴油机或稀混合气发动机的排气催化转换系统，至少分别有一个设在排气管内的第一催化转换器和一个NOx存储器。按本发明，在NOx存储器前面的排气管内设至少一个传热器，借助于此传热器根据内燃机当时的工作状态引出热流。
优选地将NOx存储器布置在第一催化转换器与第二催化转换器之间以及将传热器设在第一催化转换器与NOx存储器之间。借助于在第一催化转换器与NOx存储器之间所设的传热器，尤其可以避免NOx存储器经受超过极限温度约800℃的热负荷。
按另一种实施例，在内燃机与第一催化转换器之间设附加的传热器。因此从NOx存储器前的排气系统引出热流可以灵活地实施。若既在内燃机与催化转换器之间也在催化转换器与NOx存储器之间各设一传热器，则由此实现一种两级的热量导出。若仅仅在内燃机与催化转换器之间NOx存储器的上游设一个传热器，则灵活性要差一些。然而当采用这种设计时肯定可以将催化转换器的温度降低为使NOx存储器没有过高的热负荷，也就是说它的温度保持为800℃以下。不过与此同时在有些情况下，尤其在内燃机负荷较高时，不再能使所有不燃烧的碳氢化合物充分氧化，所以可能需要沿流动方向在NOx存储器的下游设另一个比较有效的三通催化转换器。
按另一种实施例，第一催化转换器和第二催化转换器都设计为三通催化转换器。然而按一种优选的实施例，也可以将NOx存储器与第二催化转换器组合成一个部件。这一点例如可以这样实现，即，NOx存储器有三通外壳。在这种情况下，NOx存储器一方面吸附NOx，而另一方面起氧化催化转换器的作用，在这里，吸附的NOx直接通过碳氢化合物转化。
按另一种实施例，在排气管内所设传热器的冷却功率在5kW至50kW的范围内。为了首先达到较高的冷却功率，需要高效传热器。例如，按本发明另一种实施例，传热器设计为逆流式传热器。这种逆流传热器优选地设计为双层壁的管或设计为带翅管。在其内部它被排气流过，而在由双层壁的结构形成的通道内则逆排气的流动方向流过冷却介质。冷却介质优选水或空气，它们作为强制流流过传热器。但应当指出，即使在各部件之间简单的带翅管或甚至在行驶汽车的空气流中对良好冷却而言尺寸恰当的管路均可用作按本发明的传热器。
将废气涡轮增压器吹出的空气用于强迫冷却排气管也是特别有利的。
在典型的应用中，NOx存储器可通过短时地在排气中添加碳氢化合物再生。这意味着，储存的NOx由于在NOx存储器内发生的不燃烧碳氢化合物的氧化起供氧者的作用，因此由NOx存储器排出氮、水和CO2。在NOx以此方式从NOx存储器“被驱逐”后，NOx存储器重新具有其原始的吸附从内燃机向排气内输送的NOx的能力。
为保证规定用于再生的碳氢化合物量也能到达NOx存储器，有利的是第一催化转换器只有低的氧储存能力，不致于使碳氢化合物在那里就已被氧化或可以说被浪费了。
下面借助于附图所示的实施例详细说明本发明的其他优点、特征和应用可能性。其中：
图1  按本发明的排气净化系统第一种实施例；以及
图2  按本发明的排气净化系统第二种实施例。
图1表示按本发明的排气净化系统原理图。废气从内燃机1进入排气管5，其中设置第一催化转换器2和第二催化转换器6。在两个催化转换器2、6之间设一NOx存储器4。在排气管5中第一催化转换器2与NOx存储器4之间设一传热器3。在从内燃机1经排气管5到达第一催化转换器2的废气，在第一催化转换器2(例如可借助加装的加热器(图中未表示)实现的)达到其工作温度后，在放热反应中发生不燃烧的碳氢化合物以及一氧化碳的氧化。由于在第一催化转换器2内进行的放热反应，所以向排气流供入了能量，从而提高了它的温度。当内燃机高负荷时，在第一催化转换器2下游出口处出现的工作温度约1000℃或更高。因为设在第一催化转换器2下游的排气管中的NOx存储器4其最高温度约为800℃以及其工作能力处于从约150℃至约500℃的范围内，因此具有如此高温度的排气流将导致提前损坏NOx存储器4或导致有缺陷的工作，其结果是将不能从排气流中释放出有害环境的NOx。由于这一原因，在第一催化转换器2与NOx存储器4之间设传热器3，借助于它尤其在内燃机高负荷时可实现取决于负荷地导出热流W。这种传热器原则上也可以位于第一催化转换器2的前面，只要这样做不给冷起动特性带来不利的影响。
根据在第一催化转换器2内通过放热反应释放的并包含在排气流中的热能，并因而根据离开第一催化转换器2的排气流温度，实施有控制地导出热流W，以便保证NOx存储器的温度保持在要求的范围内。从排气流提取的热能可在汽车内使用于加热或类似目的。因为第一催化转换器2在较高的工作温度下已经氧化了较高百分比的包含在排气流中不燃烧碳氢化合物和一氧化碳，所以通常不再存在足够量的不燃烧碳氢化合物用于与储存在NOx存储器4内的NOx进行反应。因此，而且根据工作条件，需要间隔地在NOx存储器4前的排气管5内附加喷入不燃烧碳氢化合物。为了保证，在所有工作条件下实现尽可能彻底的排气净化，在NOx存储器4下游还设有第二催化转换器6，它也氧化附加地加入的不燃烧碳氢化合物并因而提供基本上已净化的排气。
图2表示按本发明的排气催化转换系统第二种实施例。在此排气催化转换系统中，排气流从内燃机1引入排气管5，排气管5中设置两个传热器3与8、一个第一催化转换器2和一个有三通催化转换器外壳的NOx存储器7。相应于图1的实施例，仍在催化转换器2与NOx存储器7之间设第一传热器3。借助此传热器3，可以根据内燃机1当时的工作负荷或当时的运行状态，从排气流导出规定的热流W2。除此以外在内燃机1与催化转换器2之间设另一个传热器8，借助它可从排气流导出附加的热流W1。不过这会导致降低催化转换器2的进口温度，由此也会在一定的情况下减缓在那里进行的放热反应。这样一来，它在催化转换器2出口处的温度低于按图1的实施例的情况。因此在两个传热器3、8均处于运行中的工作情况下，在传热器3中要引出的热流W2比在按图1的实施例中要少。但无论如何传热器3、8都用来降低排气流进入NOx存储器7时的最大温度，以保证保持其可预定的温度范围。
因为在催化转换器2内放热的还原反应时不燃的碳氢化合物有时没有与储存在NOx存储器7内的NOx完全反应并可能未燃地离开NOx存储器7，所以NOx存储器7设有三通催化转换器外壳并设计为与之成整体部件。此三通催化转换器外壳起与按图1的主催化转换器6相同的作用，但其优点是使排气净化系统需要的独立部分较少。
在设置两个传热器3、8时，与按图1只有一个传热器3的实施例相比，显著提高了灵活性，亦即根据内燃机的工作状态对要引出的热流的适应能力。
如图2所示，排气管5还可以在内燃机1下游含有一废气涡轮增压器9。排气驱动此涡轮增压器9，因此在那里的环境空气受压缩并输入内燃机1。与此同时多余的空气通常被吹出，所以这些空气按本发明可有利地利用来强迫冷却排气管，例如在附加的换热器8内沿逆向流动。
总之，本发明允许简单和有效地保持排气系统的NOx存储器内可预定的温度范围，由此能保证在不同的工作条件下排气净化的质量。

Claims (25)

1.为净化流入排气管(5)内的内燃机(1)排气流调节NOx存储器(4；7)温度范围的方法，其中，根据内燃机(1)的工作状态从NOx存储器(4)前的排气流引出这样一股热流(W；W1、W2)，即，保证NOx存储器(4；7)不超过最大温度负荷和/或基本保持在一个可预定的温度范围。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，从第一催化转换器(2)的前和/或后引出排气中所含热能的至少一部分作为热流(W)。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其中，从排气流分两个阶段引出热流(W1、W2)。
4.按照权利要求3所述的方法，其中，从在第一催化转换器(2)前和后的排气流引出热流(W1、W2)。
5.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其中，NOx存储器(4；7)储存NOx并起氧化催化转换器的作用。
6.按照权利要求1至5之一所述的方法，其中，引出的热流(W；W1、W2)总计5kW至50kW。
7.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其中，配属内燃机(1)的废气涡轮增压器(9)吹出的空气利用来强迫冷却NOx存储器前的排气管(5)。
8.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其中，热流(W；W1、W2)有控制地引出，在这里作为取决于内燃机(1)负荷的调节参数采用NOx存储器(4；7)可预定的温度范围。
9.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其中，NOx存储器(4；7)可预定的温度范围由低温约150℃和高温700℃优选500℃构成。
10.按照权利要求1至9之一所述的方法，其中，内燃机(1)在空气燃油比λ≤1的情况下工作，直至NOx存储器(4；7)达到其最低工作温度约150℃。
11.为净化内燃机(1)排气流调节NOx存储器(4；7)温度范围的方法，其中，内燃机(1)在空气燃油比λ≤1的情况下至少工作这么长时间，即，直至NOx存储器(4；7)达到其最终工作温度。
12.按照权利要求11所述的方法，其中，最低工作温度为150℃。
13.按照权利要求11或12所述的方法，其中，NOx存储器(4；7)储存NOx并起氧化催化转换器的作用。
14.实施按照权利要求1至10之一所述方法的排气催化转换系统，尤其用于柴油机或稀混合气发动机，包括至少各一个设在排气管(5)内的第一催化转换器(2)和NOx存储器(4；7)，其特征为：在NOx存储器前的排气管内设至少一个传热器(3；8)。
15.按照权利要求14所述的排气催化转换系统，其特征为：NOx存储器(4；7)布置在第一催化转换器(2)与第二催化转换器(6)之间，以及，传热器(3)设在第一催化转换器(2)前面或布置在第一催化转换器(2)与NOx存储器(4；7)之间。
16.按照权利要求15所述的排气催化转换系统，其特征为：附加的传热器(8)设在内燃机(1)与第一催化转换器(2)之间。
17.按照权利要求14至16之一所述的排气催化转换系统，其特征为：第一催化转换器(2)和第二催化转换器(6)分别设计为三通催化转换器，其中，第一催化转换器(2)优选地有很低的储氧能力。
18.按照权利要求15至17之一所述的排气催化转换系统，其特征为：NOx存储器(4；7)与第二催化转换器(6)组合成一个部件。
19.按照权利要求14至18之一所述的排气催化转换系统，其特征为：NOx存储器(4；7)有一催化的三通外壳。
20.按照权利要求14至19之一所述的排气催化转换系统，其特征为：传热器(3；8)的冷却功率为5kW至50kW。
21.按照权利要求14至20之一所述的排气催化转换系统，其特征为：传热器(3；8)设计为逆流式传热器。
22.按照权利要求21所述的排气催化转换系统，其特征为：传热器(3；8)设计为双层壁式管，管的内部流过排气，由双层壁构成的通道内流过冷却介质。
23.按照权利要求14至21之一所述的排气催化转换系统，其特征为：传热器(3；8)是排气管(5)中设计为带翅管的一段，冷却介质围绕它流动。
24.按照权利要求22或23所述的排气催化转换系统，其特征为：冷却介质是水或空气并强制流过传热器(3；8)。
25.按照权利要求24所述的排气催化转换系统，其特征为：配属内燃机(1)的废气涡轮增压器(9)吹出的空气流过传热器(3；8)。
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